能量存儲系統(tǒng)以及用于存儲和供應能量的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種能量存儲系統(tǒng)以及用于存儲和供應能量的方法，該能量存儲系統(tǒng)具有用于產生氫氣的電解器、用于存儲所述氫氣的氫氣存儲器和具有渦輪機的發(fā)電站，該渦輪機用于燃燒所述氫氣，其中該電解器與氫氣存儲器相連，并且該氫氣存儲器與所述發(fā)電站的渦輪機相連。
【專利說明】能量存儲系統(tǒng)以及用于存儲和供應能量的方法
[0001]本申請是申請?zhí)枮?00910150482.8、于2009年6月25日提交的同名發(fā)明申請的分案申請。

【技術領域】
[0002]本發(fā)明涉及一種能量存儲系統(tǒng)以及一種用于存儲和供應能量的方法。

【背景技術】
[0003]現(xiàn)今，可再生能被選擇用于減少C02排放以及減小對其它一次能源的依賴?？稍偕苣軌蛱鎿Q大量現(xiàn)有的常規(guī)發(fā)電站。該能源的缺點是不能始終提供所需要的功率輸出，并且其可控性有限。
[0004]可再生能的饋入還取決于該能源自身的可用性以及剩余電網(wǎng)容量的可用性。為了實現(xiàn)降低C02排放和不依賴于礦物燃料這一最終社會目標，有必要將可再生能的貢獻最大化。這意味著，有必要處理波動和隨機能源。為了實現(xiàn)這個目標，生產可再生能的產能必須是過剩的。取得的供應將被存儲，以便不與時間相關地被使用。當供應沒有與能量需求相匹配時，這時可以通過釋放所述存儲來產生能量。
[0005]存儲電能的方式有很多種。電能可以以電化學的方式存儲在電池中，例如以壓力或勢能的形式通過物理方式被存儲。勢能尤其是被存儲在抽水蓄能器或壓縮空氣蓄能器(CAES)中的。
[0006]抽水蓄能系統(tǒng)可以用于存儲取得的能量(access energy)。取得的電能可以用于將水泵送到較高處的存儲器中。所存儲的水的勢能可以在以后用于在水輪機中產生功率。CAES在膨脹過程中使用了壓縮空氣的壓縮能。根據(jù)CAES的類型，需要使用天然氣來補償壓縮過程的熱損失。
[0007]水和壓縮空氣都不具有很高的特定功率密度，因此，這樣的系統(tǒng)的能量容量是非常有限的。


【發(fā)明內容】

[0008]因此，本發(fā)明的第一個目標是提供一種有利的能量存儲系統(tǒng)。本發(fā)明的第二個目標是提供一種用于存儲和供應能量的有利方法。
[0009]第一個目標通過一種如權利要求1所述的能量存儲系統(tǒng)來實現(xiàn)。第二個目標通過一種如權利要求12所述的用于存儲和供應能量的方法來實現(xiàn)。從屬權利要求定義了本發(fā)明的改進方案。
[0010]本發(fā)明的能量存儲系統(tǒng)包括電解器、氫氣存儲器以及發(fā)電站。電解器與氫氣存儲器相連。氫氣存儲器與發(fā)電站相連。有利地，該電解器是高壓電解器。
[0011]利用本發(fā)明的能量存儲系統(tǒng)，已知能量存儲系統(tǒng)的缺點將會消除。特別地，替代于使用具有低的特定能量密度的存儲介質，在這里使用的是高能量密度介質，即使用氫、優(yōu)選地使用壓縮氫。這樣做允許設計非常緊湊的大功率和高容量的存儲器。即使能量以隨機和不確定方式被饋入，本發(fā)明的能量存儲系統(tǒng)也提供了可靠的能量供應。
[0012]由于所建議的存儲系統(tǒng)具有很高的能量密度，因此，它能夠在很多天內以滿負荷進行工作，而且它還能夠在需求高峰時間期間根據(jù)日計劃表來使用。
[0013]與只能工作幾小時的抽水蓄能器或者同樣最多工作幾小時的壓縮空氣能量存儲系統(tǒng)(CAES)相比，這是一個重要的不同。
[0014]此外，本發(fā)明提供的能量容量是常規(guī)的針對電能的存儲系統(tǒng)的能量容量的直到100倍。通常，需要存儲的能量是以幾百百萬千瓦時(GWh)為計量。
[0015]優(yōu)選地，本發(fā)明的能量存儲系統(tǒng)包括與電解器以及氫氣存儲器相連的氫壓縮機。例如，氫存儲器可以是地下存儲器。在將來自電解器的氫存儲到氫氣存儲器中之前，該氫可以借助于氫壓縮機而被壓縮。
[0016]此外，本發(fā)明的能量存儲系統(tǒng)可以包括熱回收系統(tǒng)，其中該熱回收系統(tǒng)可以與氫壓縮機和/或發(fā)電站和/或水處理廠相連。所述熱回收系統(tǒng)可以用于回收對氫的進行的壓縮工作所產生的熱量，以便進一步壓縮氫來加以存儲(例如存儲在地下存儲器中)。所述氫可以借助于氫壓縮機來進一步壓縮，其中該氫壓縮機將會進一步提升電解器之后的壓力，直至其達到存儲器的壓力。
[0017]此外，本發(fā)明的能量存儲系統(tǒng)可以包括至少一個存儲腔。例如，氫氣存儲器和/或存儲腔可以是用于高壓氫的地下氫存儲器。
[0018]本發(fā)明的能量存儲系統(tǒng)可以包括電能遞送單元，其中該電能遞送單元可以與電解器相連。此外，本發(fā)明的能量存儲系統(tǒng)可以包括電能供應單元，并且該電能供應單元可以與發(fā)電站相連。本發(fā)明的能量存儲系統(tǒng)還可以包括電網(wǎng)連接，以便在充電過程中輸入功率，以及在放電過程中輸出功率。該電能遞送單元可以借助于電網(wǎng)與電解器相連。發(fā)電站可以借助于電網(wǎng)與電能供應單元相連。
[0019]本發(fā)明的能量存儲系統(tǒng)還可以包括與電解器相連的水處理廠，以便向電解器提供軟化的水。此外，它可以包括電解器熱回收系統(tǒng)。這個電解器熱回收系統(tǒng)可以回收來自電解器的熱量。所回收的熱量可以在水處理廠和/或發(fā)電站中使用。這意味著電解器熱回收系統(tǒng)可以與發(fā)電站和/或水處理廠相連。
[0020]此外，本發(fā)明的能量存儲系統(tǒng)可以包括至少一個附加的氣體存儲器。這個附加的氣體存儲器可以是用于氧氣或者是用于天然氣或其它氣體的氣體存儲器，以便在使用混合氣體優(yōu)先于使用純氫的情況下，在燃燒之前混合氫。
[0021]此外，本發(fā)明的能量存儲系統(tǒng)可以包括燃料供應系統(tǒng)和/或氫預熱器。氫預熱器尤其是可以用于在將氫膨脹到燃料供應系統(tǒng)壓力之前預熱氫，以便改善循環(huán)效率。此外，本發(fā)明的能量存儲系統(tǒng)可以包括氣體混合站、尤其是燃料混合站。該氣體混合站可以用于相應地將燃料氣體性質設置到發(fā)電站要求。本發(fā)明的能量存儲系統(tǒng)還可以包括燃料氣體預熱器。該燃料氣體預熱器可以位于氣體混合站之前或之后。
[0022]本發(fā)明的能量存儲系統(tǒng)尤其是可以包括氫膨脹器或是具有產生電能的發(fā)電機的渦輪機。該膨脹器或渦輪機可以與氫氣存儲器相連(例如通過預熱器和/或控制閥)。該膨脹器或渦輪機可以進一步通過控制閥連接到氣體混合站或燃料氣體預熱器。該氣體混合站包括附加的氣體存儲器(例如用于氧氣、天然氣或者其它那些用于與氫混合的氣體的氣體存儲器)。
[0023]此外，本發(fā)明的能量存儲系統(tǒng)可以包括氣體膨脹器。該氣體膨脹器可以用于回收用于氫的壓縮能量，以便改善循環(huán)效率。
[0024]優(yōu)選地，發(fā)電站可以包括渦輪機與發(fā)電機的組合。它尤其是可以包括用于將例如氫的化學能轉化成電能的常規(guī)發(fā)電站。
[0025]能量存儲系統(tǒng)還可以包括與水軟化站相連的熱回收系統(tǒng)。優(yōu)選地，所述水軟化站可以與電解器相連。由于熱回收系統(tǒng)可以為應用于電解器的水軟化站提供熱量，因此，這樣做改善了循環(huán)效率。
[0026]此外，本發(fā)明的能量存儲系統(tǒng)可以包括功率輸入控制系統(tǒng)和/或功率輸出控制系統(tǒng)。它還可以包括對功率輸出和輸入進行控制的控制系統(tǒng)。本發(fā)明的能量存儲系統(tǒng)還可以包括用于充電和/或放電的可控電網(wǎng)接口。
[0027]此外，該能量存儲系統(tǒng)可以包括用于將氫和/或氧輸出到氫氣存儲器的外面的接口。有利地，該能量存儲系統(tǒng)可以包括化學處理站。該化學處理站可以包括氧氣進口(oxygen inlet)，其中該氧氣進口可以與電解器的氧氣出口相連。該化學處理站可以將副產品氧氣用于如同從生物量到產品的化學過程。
[0028]一般來說，本發(fā)明的能量存儲系統(tǒng)解決了現(xiàn)有存儲器解決方案的能量密度低和功率容量小的固有問題。在與可再生能相結合的一個優(yōu)化的設置中，可以提供足夠的容量而在很多天內從可再生能的低發(fā)電跨越到高發(fā)電?；诳稍偕艿耐耆沙掷m(xù)的能量供應可以通過本發(fā)明的系統(tǒng)來實現(xiàn)。
[0029]本發(fā)明的用于存儲和供應能量的方法包括:將電能遞送到電解器；借助于電解器將水分解成氧氣和氫氣；存儲氫氣；將所存儲的氫氣供應給發(fā)電站；以及借助于發(fā)電站來產生電能。
[0030]優(yōu)選地，可以使用高壓電解器。有利地，可以為電解器提供軟化的水。此外，來自電解器的熱量是可以回收的。所回收的熱量可以用在水處理廠和/或發(fā)電站中。
[0031]優(yōu)選地，在存儲氫氣之前可以對其進行壓縮。這樣做提升了特定的能量密度，并且由此提升了存儲容量。壓縮工作的熱量是能夠回收的。應用于氫的壓縮能量尤其是能夠借助于氣體膨脹器來回收。
[0032]在將氫供應給發(fā)電站之前，所述氫氣可以被預熱和/或膨脹。優(yōu)選地，發(fā)電站可以包括渦輪機和發(fā)電機。此外，來自發(fā)電站的熱量是能夠回收的。來自發(fā)電站的熱量尤其是可以被傳導到水軟化站，并且其中所述水軟化站可以被用于電解器。此外，氫可以和天然氣和/或稀釋劑混合。
[0033]此外，來自電解器的氧可以被傳導到化學處理站。該化學處理站可以將副產品氧用于化學過程，如同例如從生物量到產品的化學過程。
[0034]總的來說，本發(fā)明的方法具有本發(fā)明的能量存儲系統(tǒng)所具有的優(yōu)點。
[0035]本發(fā)明提供了一種能夠存儲非常大量能量的大規(guī)模能量存儲系統(tǒng)。與現(xiàn)有的存儲系統(tǒng)相比，該數(shù)量介于10至100或更高的因數(shù)之間。通過與可再生能量源例如大型風力發(fā)電站相結合，可以提供足夠的容量和功率輸出，以致于對電網(wǎng)運營商來說，這兩個系統(tǒng)就好像是具有高可用性和發(fā)送能力(dispatchability)的常規(guī)發(fā)電站。
[0036]大型能量存儲系統(tǒng)將會避免當需要應用生產管理時在發(fā)生低需求的情況下要調低乃至關閉可再生能生產。與不使用高壓電解器的系統(tǒng)相比，高壓電解器的引入顯著提升了系統(tǒng)效率和功率密度。此外，在高壓氫壓縮機處、在高壓氫膨脹器處以及在燃料氣體預熱器處的熱回收循環(huán)提高了存儲器的效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0037]從以下結合附圖的對實施例的描述中可以清楚了解本發(fā)明其它的特性、性質和優(yōu)點。所描述的特性的單個和與彼此的結合都是有利的。
[0038]圖1示意性地示出了本發(fā)明的能量存儲系統(tǒng)。
[0039]圖2示意性示出了本發(fā)明的能量存儲系統(tǒng)的更詳細的實施例。

【具體實施方式】
[0040]現(xiàn)在將參考圖1來描述本發(fā)明的第一實施例。圖1示意性地示出了本發(fā)明的能量存儲系統(tǒng)1，其中該能量存儲系統(tǒng)I包括高壓電解器5、氫氣存儲器6、發(fā)電站7以及電網(wǎng)連接4、8。來自電能遞送單元2的電能例如可再生能借助于電網(wǎng)4而被遞送到高壓電解器5。在高壓電解器5中，氫借助于電解而從水中分離出。然后，氫被存儲在氫氣存儲器6中。在需要時，所存儲的氫氣被提供給發(fā)電站7。然后，發(fā)電站7產生的電能被提供給電網(wǎng)8。
[0041]現(xiàn)在將參考圖2來描述本發(fā)明的第二實施例。圖2示意性地示出了本發(fā)明的能量存儲系統(tǒng)I的詳細實施例的例子。
[0042]圖2示出了一個高壓電解器5，其中該高壓電解器5借助于電網(wǎng)4而被遞送以電能。來自軟化站15的水13被引導到高壓電解器5。在高壓電解器5中，水13被分解成氧12和氫14。高壓電解器5進一步地與電解器熱回收系統(tǒng)9相連。借助于電解器熱回收系統(tǒng)9而被回收的熱量例如可以用于水處理站10和/或發(fā)電站11。水處理站10尤其是可以是軟化站15的一部分，其中該軟化站15將水13軟化，以便用于高壓電解器5。來自高壓電解器5的已分離出的氫被引導到氫壓縮機16。所述氫氣壓縮機16可以由馬達17來驅動。
[0043]然后，經過壓縮的氫被導向熱交換器18，在那里它會被冷卻。之后，經過壓縮和冷卻的氫被引導到氫存儲器20?？刂崎y21位于熱交換器18與氫氣存儲器20之間。來自熱交換器18的熱量可以例如存儲在熱存儲器中，或者可以使用在軟化站、例如在軟化站15中。從熱交換器18中流出的熱流由箭頭19表示。
[0044]如果需要被存儲在氫存儲器20中的氫，那么它可以通過控制閥21而被引導到預熱器22，在那里它被預熱。為在預熱器22中預熱氫所需的熱能可以從熱存儲器中獲取。這由箭頭23來表示。可替代地或附加地，所需的熱量可以從發(fā)電站32中被遞送。這由箭頭33和24來表示。
[0045]然后，經過預熱的氫被引導到氫膨脹器25，其中該氫膨脹器25可以是渦輪機。氫膨脹器25或渦輪機激活發(fā)電機26，該發(fā)電機則會產生電能。然后，由發(fā)電機26產生的電能將供應給電網(wǎng)27。
[0046]然后，借助于氫膨脹器25被膨脹的氫被引導到燃料氣體預熱器28。在到達燃料氣體預熱器28之前，所述氫可以與天然氣和/或稀釋劑混合。為此目的，附加的氣體存儲器30經由控制閥29而被連接到氫膨脹器25與燃料氣體預熱器28之間的管道。附加的氣體存儲器30可以是用于天然氣或其他氣體的氣體存儲器，以便在使用混合氣體優(yōu)先于使用純氫的情況下，在燃燒之前混合所述氫氣。附加的存儲器30可以由外部供應來遞送。這用箭頭31來表示。
[0047]然后，借助于燃料氣體預熱器28而被預熱的氫或氫與天然氣和/或稀釋劑的混合物被引導到發(fā)電站32。在發(fā)電站32中產生電能。該發(fā)電站可以是簡單循環(huán)發(fā)電站(不存在廢熱利用)或是聯(lián)合循環(huán)發(fā)電站(在增壓循環(huán)(toping cycle)、例如蒸汽循環(huán)中進行廢熱利用)，以便實現(xiàn)最高的效率。所產生的電能被供應給電網(wǎng)8。來自發(fā)電站32的廢熱可以用于預熱器22和/或燃料氣體預熱器28。這用箭頭33、24和34來表示。此外，來自發(fā)電站的熱量可以用于軟化站15。這用箭頭36來表示。在燃燒過程期間產生的水可以從排出流中提取并被饋送到軟化站15，以便減少存儲系統(tǒng)的水消耗。箭頭35表示從發(fā)電站32到軟化站15的水流。
[0048]在高壓氫壓縮機16處、在高壓氫膨脹器25處和在燃料氣體預熱器28處的熱回收循環(huán)提高了存儲器的效率。通常，所描述的能量存儲系統(tǒng)以及可以借助于所描述的能量存儲系統(tǒng)執(zhí)行的、用于存儲和供應能量的本發(fā)明的方法提供了大規(guī)模的能量存儲器，并且該能量存儲器可以存儲大量的能量。
【權利要求】
1.一種能量存儲系統(tǒng)，其具有用于產生氫氣的電解器、用于存儲所述氫氣的氫氣存儲器和具有渦輪機的發(fā)電站，該渦輪機用于燃燒所述氫氣，其中該電解器與氫氣存儲器相連，并且該氫氣存儲器與所述發(fā)電站的渦輪機相連。
2.如權利要求1所述的能量存儲系統(tǒng)，其特征在于: 所述電解器是高壓電解器。
3.如權利要求1或2所述的能量存儲系統(tǒng)，其特征在于: 所述發(fā)電站包括渦輪機與發(fā)電機的組合。
4.如權利要求1至3中任一所述的能量存儲系統(tǒng)，其特征在于: 其包括與該電解器和與該氫氣存儲器相連的氫壓縮機。
5.如權利要求1至4中任一項所述的能量存儲系統(tǒng)，其特征在于: 其包括功率輸入控制系統(tǒng)和/或功率輸出控制系統(tǒng)。
6.如權利要求1至5中任一項所述的能量存儲系統(tǒng)，其特征在于: 其包括氣體混合站。
7.如權利要求1至6任一項所述的能量存儲系統(tǒng)，其特征在于: 其包括燃料氣體預熱器。
8.如權利要求7所述的能量存儲系統(tǒng)，其特征在于: 其包括氫膨脹器或者具有產生電能的發(fā)電機的渦輪機，其中該膨脹器或者該渦輪機通過預熱器和/或控制閥與所述氫氣存儲器相連。
9.如權利要求8所述的能量存儲系統(tǒng)，其特征在于: 該膨脹器或者該渦輪機通過控制閥被進一步地連接到氣體混合站或者燃料氣體預熱器。
10.如權利要求9所述的能量存儲系統(tǒng)，其特征在于: 該氣體混合站包括附加的氣體存儲器。
11.如權利要求1至10中任一項所述的能量存儲系統(tǒng)，其特征在于:其包括與氫壓縮機和/或與發(fā)電站和/或水處理廠相連的熱回收系統(tǒng)。
12.一種用于存儲和供應能量的方法，其包括以下步驟: 一將電能遞送給電解器， -借助于所述電解器將水分解成氧氣和氫氣， 一存儲所述氫氣， 一將所存儲的氫氣供應給發(fā)電站，以及 一借助于發(fā)電站來產生電能。
13.如權利要求12所述的方法，其中在存儲所述氫氣之前對其進行壓縮。
14.如權利要求12或13所述的方法，其中來自所述發(fā)電站的熱量被回收。
15.如權利要求12至14任一項所述的方法，其中在將氫供應給所述發(fā)電站之前對其進行預熱和/或膨脹。
16.如權利要求12至15任一項所述的方法，其中壓縮工作的熱量和/或來自所述電解器的熱量被回收。
17.如權利要求12至16任一項所述的方法，其中將氫與天然氣和/或稀釋劑相混合。
【文檔編號】F01K25/00GK104481612SQ201410572844
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2009年6月25日 優(yōu)先權日:2008年6月25日
【發(fā)明者】沃爾夫 E. 申請人:西門子公司